新型膠凝材料的發展與展望（下）

韓仲琦

（天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400）

（接2018年第6期81頁）

4.2 聚合物水泥

由眾多原子或原子團以共價鍵結合而成的高分子化合物（macromolecular compound），稱為聚合物，相對分子量約為10 000。例如有纖維素、蛋白質、蠶絲、橡膠、淀粉等天然高分子化合物，以及以高聚物為基礎的合成材料，如各種塑料，合成橡膠，合成纖維、涂料與粘接劑等聚合物。

聚合物水泥是由水泥、骨料和可以分散在水中的有機聚合物攪拌而成的膠凝材料，聚合物水泥的特點是防水抗滲效果好。粘結強度高，能與結構形成一體。抗腐蝕能力強。耐高濕、耐老化、抗凍性好。市場出售的自流平水泥也是利用了聚合物水泥的特點。

4.3 復合水泥的性能研究

水泥是一種處于介穩狀態的礦物粉體材料，通過水化后產生水化物，水化物彼此鍵合并逐漸硬化成為具有強度的硬化體。水泥從制備到應用，是一個從穩定態到介穩態，又從介穩態向較穩定狀態過渡的過程。所以為了提高水泥性能可以研究水泥熟料的復合性，這已引起許多開發者的注意，目前高性能水泥的研究內容如下：

（1）研究不同熟料的復合，不同熟料與混合材的復合、不同顆粒尺寸材料的復合，以及有機與無機的復合，增加水泥水化密實性和耐久性。

（2）對混合材料進行物理化學預處理，通過機械力化學作用，使之微細化、活性化，具有性能調節功能，使混合材的水化產物在水泥中起到結構致密性、膠結性、抗腐蝕性和耐久性作用。

（3）通過對復合型水泥的研究，使水泥的綜合性能取得突破性提高，從而極大地提高混凝土構筑物的各方面性能和壽命，這些綜合性能表現為強度提高10MPa，水泥用量減少20%～30%、提高抗滲性能可使混凝土壽命提高30%～50%等。

4.4 鎂質膠凝材料

鎂質膠凝材料若按元素組成來劃分，是與鈣質水泥并排的一類水泥膠凝材料，也稱為鎂水泥。鈣質水泥主要包括硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，而鎂水泥分為氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥、磷酸鎂水泥，鎂水泥也可稱為鎂質膠凝材料。

以前鎂質膠凝材料稱為“菱苦土”，主要原料來源是由菱鎂石（菱鎂石即鎂礦石）煅燒而成，后來改稱“菱鎂材料”。近幾十年來，人們對鎂質膠凝材料的認知和理解在不斷提升，逐漸將菱鎂材料改稱鎂質膠凝材料或鎂水泥。

鎂質膠凝材料（鎂水泥）的基本配比由MgO-MgCl2（MgSO4）-H2O三元組成。在實際生產中，為了克服鎂水泥的抗水性差、吸潮返鹵以及變形等缺點，往往需要再加入改性劑及其他功能性材料。要根據制品用途和形狀要求，加入填充改性材料（鋸末，有機或無機纖維材料，粉煤灰、礦渣粉末等材料）、攪拌、成型、養護等，最終制成成品。這種膠凝材料的特點是：

（1）防火性能優越。

鎂質膠凝材料制成的墻體材料屬不燃材料，達到A1級。材料產煙毒害性分級達到安全AQ級，耐火極限平均≥1.5h，大大高于石膏、水泥、硅酸鈣等其它材料。另外，在使用過程中，不存在甲醛和有機VOC的散發、在燃燒過程中不產生有毒煙氣，使用是安全環保的。

（2）高強、輕質、保溫。

據檢測試驗，鎂質膠凝墻體材料建筑制品與鈣質水泥制品相比，抗沖擊性高1倍～5倍，抗凍性高2倍～4倍，抗壓、抗拉強度高出1倍～2倍。鎂質膠凝材料輕質、高強（40kg/m2～60kg/m2），具有極好的抗溫變化的性能。

雖然鎂質膠凝材料還有一些缺點，如鎂水泥制品的抗水滲透性較差，但通過加強對原料性能及其種類的深入研究，以及對高鎂質膠凝材料的產量和應用性能深入研究、探索新的科學配方，將使這種膠凝材料會有更廣泛的應用市場，并會擴展膠凝材料新資源的應用范圍。

5 功能混凝土

5.1 混凝土結構與功能的控制

水泥顆粒要自由活動具有流動性，必須在其表面形成一定厚度并具有潤滑功能的水膜，若能使這層水膜的需水量減少，則砼結構更密實，對砼結構可以控制。具體方法是：控制水泥顆粒粗大化和最佳顆粒級配；顆粒形狀的球狀化；改進水泥組成（例如以貝利特為主的水泥）；控制水泥產物形態和大小。

利用物質熱變色現象，可把功能性物質混合在水泥中使用，也可以涂布在砼表面，改變構筑物色彩。

5.2 混凝土制品的低碳化

利用工業副產品中的γ-C2S與C O2反應，采用碳酸養護低水灰比混凝土，取得致密度高、耐久性高的產品，這也是日本正在進行的一項研究。另外，混入粉煤灰再用火力發電排放的廢氣養護，使混凝土CO2排放量成為負值也是可能的，其產品已用于拼裝砌塊路面裝飾材料。

還有一種低碳材料，即完全不用水泥，其壓縮強度可與水泥一樣，但要蒸汽養護，已引起世界的關注，這是由Alumino-Silicate（鋁硅酸鹽）和堿化硅溶液制造的。

對于今后用于水泥的混合材，日本提出要重視并應盡快開展研究的是，廢棄物的使用與質量的平衡。同時要考慮“反應”的熟料材料開發。在產品功能化方面，各國均在混合材替代熟料的作用方面繼續開展工作，日本也提出要加強“熟料”的技術開發，并且要在“熟料骨材”方面進行拓展工作。此外，日本對于土壤地基改良的水泥固化材料研究比較重視。

5.3 纖維水泥基復合混凝土

水泥基復合材料是以硅酸鹽水泥為基體，以耐堿玻璃纖維、通用合成纖維、各種陶瓷纖維、碳和芳綸等高性能纖維、金屬絲以及天然植物纖維和礦物纖維為增強體，加入填料、化學助劑和水經復合工藝構成的復合材料。目前比較熱門的水泥基復合材料是纖維水泥基復合混凝土，它通常是以水泥凈漿，砂漿為基體，由非連續短纖維或連續長纖維為增強材料所組成。在混凝土中加入纖維，可以強化水泥砂漿，提高水泥基復合材料拉伸、彎曲及沖擊強度，控制裂紋的擴展，改善失效模式和成型時材料的流動性，是改善其性能的最有效途徑。

以混凝土“龜縮”現象為出發點進行的研究是對超高強纖維增強混凝土的研究，研究其混凝土的組成及機理等，一些題目可能是世界頂級的研究內容。使用增強纖維的超高強混凝土，可以不用鋼筋增強，但設計的強度比一般的混凝土結構強度還要高好幾倍，是一種致密度高的、耐久性強的材料，因此使設計100年耐久結構建筑物成為可能。使用這種技術，開發出的高壽命建筑物可減少生命周期成本，減少環境負荷。最近東京國際機場附屬建筑物的預應力樓板也采用了這種混凝土，此外對老式建筑物的改造也可用耐震增強的方法使其再生。

另外，鋼筋混凝土劣化的主要原因是混凝土中氯元素對鋼筋的擴散，如果能正確掌握其擴散狀態就能預測混凝土的壽命。然而混凝土是一種復雜的材料，正確了解擴散現象是一件很困難的工作，現在該研究所已與國內外一些有名大學進行了合作，所以分析氯擴散的機理及新測定技術，是很重要的工作。

5.4 混凝土的3D智能制造

這是由我國中國建材研究總院正在進行的科研開發項目，主要任務是探索寒冷條件下混凝土3D智能制造關鍵材料及技術，解決服役混凝土約束狀態下的寒凍破壞機理及抗凍性評價方法。眾所周知我國東北、西北、西南地區，氣候與氣象復雜多變，極端天氣下的混凝土施工很困難，在極端寒冷條件下混凝土常常損壞，為此解決寒冷條件下混凝土的智能攪拌制造技術相當重要。

5.5 拋光混凝土

這是一種裝飾混凝土，也是一種功能材料（藝術混凝土），產品已被中央電視臺選中“國家品牌計劃”，一般用于地面或墻壁的美化或裝修，雖是國外技術，但已在國內開始使用和發展，今后根據我國實際情況，這種藝術混凝土技術和水泥技術結合起來，會有更好的發展。拋光混凝土有下列幾種，可根據不同需要斟酌選用：

（1）法老石，這是針對豪華裝修的方案；

（2）金鉆磨石，可以注入健康要素、文化要素、風水要素和科技要素，靈活施工使用；

（3）筑硅磨石，這是一款大眾化的產品，用于一般裝修；

（4）地面裝修材料，一般用于工業地坪裝修，這是為對外觀要求不那么嚴格的用戶設計的。

拋光混凝土的發展動態是：

（1）由于拋光混凝土也是一種密封固化劑，能顯著提升和持久保持高光澤度。在地面使用時，混凝土地面的強度、硬度及耐磨性能大幅提高，可以阻擋外來物質（油、堿）的侵蝕及風化，所以拋光混凝土將逐步進入家庭地面的裝修；

（2）混凝土拋光墻面會迅速普及，混凝土拋光技術將從地坪延伸到墻面拋光，一改室內墻面裝飾只能依靠天然石材、壁紙、乳膠漆等現狀。

（3）混凝土藝術作品將迅速發展。混凝土越來越多地從普通建筑走向藝術制作。

5.6 “水泥毯”功能混凝土

“水泥毯”混凝土是一種復合型功能混凝土，平時它看起來就像是普通的“毯子”，但是澆上水之后，它就會迅速變成堅硬的混凝土層，這種獨特的材料可以方便地進行安裝混凝土制品，具有紡織品的韌性，既能垂直懸掛，也能鋪設在溝槽之中，可以隨意裁剪尺寸，每平方米只有15kg，運輸起來非常便捷。在澆水之后，它的強度和壽命都與傳統混凝土相當，同時又具備出色的防水性能，能夠廣泛應用于鐵路、水利、公路和農業灌溉等領域。最重要的是，使用這種新型材料，能夠節省90%的傳統材料，能縮短60%的工期，能夠解決在不方便的狹窄地方進行混凝土攪拌和作業。

“水泥毯”混凝土是將傳統水泥和紡織纖維技術結合在一起，在纖維骨架里引入了防滲和多功能的混凝土粉料，具有防水、防潮、防火等特點，還能徹底解決混凝土開裂的問題。這項科技的發明者據說是一名中國人，“水泥毯”混凝土已被美國、加拿大等采購使用。

6 混凝土的納米技術研究

水泥硬化體的特性即混凝土的性能是由內部空隙決定的。混凝土的強度與空隙構造有著非常密切的關系，因此有必要研究由氯離子、CO2、水分等混凝土外部與內部納米級物質移動產生的空隙構造及與水泥硬化體組織的關系。

混凝土中的空隙成因如下：一是由混凝土攪拌時帶入的空氣，即所謂的Entrained空氣，還有Entrapped圈閉空氣；另外是在水泥水化反應時，自由水的毛細管空隙和C-S-H層間水的凝膠空隙。空隙的大小差別很大，最小直徑在1nm左右。

毛細管空隙量占混凝土硬化體中全部空隙量的三分之二左右，膠凝空隙的直徑在2nm左右，相當于C-S-H層間距離，凝膠空隙約占毛細管空隙量的20%。50nm以上的毛細管空隙量越多，則離子透過性、透氣透水性越好，但混凝土的強度就要降低，利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，即可提高混凝土的流動性，還可改善水泥硬化基體與骨料的界面結構，從而使混凝土的強度、抗滲性與耐久性都可提高。納米礦粉可以使用納米SiO2（超微細白炭黑）、納米CaCO3和納米Si粉等，當納米礦粉的摻加量為水泥用量的1%～3%時，制成的納米復合水泥混凝土結構材料的水泥硬化漿體強度有很大提高，并且韌性、耐久性也有提高，因為納米顆粒表面積和表面能都迅速增加，因而化學活性和催化活性與普通顆粒有顯著不同。納米礦粉與水化物鍵合并以納米添加劑顆粒為晶核，在其表面上形成水化硅酸鈣凝膠相，形成網狀結構，降低了水泥硬化體的徐變度，故而提高了混凝土性能。這種添加納米礦粉的水泥漿體稱為聚合物水泥硬化體，納米礦粉可有效地填充在10nm～100nm的微孔內，減少了水泥硬化體的空隙率。例如納米SiO2-x加快了水泥早期水化的放熱速率，提前了水化誘導期、加速期和減速期，縮短了水泥的凝結時間。

此外，無宏觀缺陷水泥硬化體是由水溶性聚合物與水泥制成，水泥硬化體的空隙率可降至1%。由于空間的限制，晶體無法長大，因而避免了混凝土斷裂沿著較弱界面或解理面通過，可顯著提高混凝土的抗折強度摻硅粉的水泥硬化體，由于硅粉可以堵塞硬化體中空隙，并與水泥水化時產生的Ca（OH）2發生化學反應，生成C-S-H凝膠，可提高混凝土的抗壓強度，這是因為在水泥硬化體原有網絡結構基礎上又建立了一個新的網絡，組成三維網絡結構，因此可大大提高水泥硬化體的物理力學性能。

7 結語與展望

（1）本文綜合介紹了國內外新型膠凝材料的發展情況，包括了特種功能水泥和綠色混凝土及其它膠凝材料的情況。新型膠凝材料具有顯著的高品質、節能環保，具有特殊功能或智能控制的特點。

（2）人們希望新的膠凝材料在具有傳統材料優點的同時，成為環保產業的一分子，這是材料領域科技工作者的使命，可以預言新型膠凝產業將會對環境保護做出更大的貢獻。

（3）“水泥工業協同處置廢棄物”的新工藝、新產品及其與環境的關系研究，是很重要的一個獨立體系，因內容較多本文沒有述及，讀者可查閱有關資料，作為補充參考。

（4）傳統的膠凝材料定義逐步被打破，開發有機與無機、不同種類或同種類材料的復合技術、研發新功能、高品質及智能化的新型膠凝材料產品，正在引起人們的關注。